Сравнение качества цифровых моделей поверхности, полученных по данным АФС и воздушного лазерного сканирования

И.А. Рыльский

1. Введение

В настоящее время отрасль картографии и дистанционного зондирования переживает бурный подъем, связанный с развитием ряд ключевых технологий сбора и обработки пространственных данных. Среди прочих, отметим следующие:

• технологии лазерного сканирования (воздушное, мобильное, наземное);
• технологии различных видов съемок с БПЛА (в основном, пассивные съемки);
• ГНСС-ИНС технологии позиционирования съемочного сенсора;

Упомянутые технологии за последние 15 лет фактически произвели революцию в точности, скорости и стоимости сбора пространственных данных.

ГНСС-ИНС технологии с использованием волоконно-оптических гироскопов и акселерометров (позднее – и MEMS-решения) позволили решить задачу определения линейных и угловых параметров ориентации сенсоров (и носителей) в пространстве, а также принципиально повысили точность навигации. Лазерные сенсоры позволили достигать точностей однократных (без стереометодов) измерений дальности на уровне от долей миллиметров (для наземного сканирование) до первых сантиметров (воздушное лазерное сканирование). Беспилотные аппараты в настоящее время существенно снизили минимальный объем съемки и стоимости налета.

Однако в ряде случаев одна и та же ниша на рынке услуг, ранее безраздельно принадлежавшая одной из технологий (например, геодезии, или космическим съемкам), становится объектом конкурентной борьбы нескольких одновременно развивающихся инновационных технологий. Это неизбежно вызывает необходимость сравнения характеристик и особенностей итоговых результатов, полученных разными технологиями при решении одной и той же задачи.

Одним из подобных примеров «технологического противостояния» является борьба технологии воздушного лазерного сканирования с пилотируемых носителей и технологии аэрофотосъемки с БПЛА легкого и среднего классов при решении задач информационного обеспечения проектных работ.

2. Коротко о технологии лазерного сканирования

В конце 1990-х годов в области методов получения картографических материалов высокой детальности (масштаб 1:5 000 и крупнее) произошли серьезные перемены. Они были вызваны появлением новых методов дистанционного зондирования Земли с использованием импульсных лазеров. Вместо классической аэрофотосъемки потребителям картографической информации была предложена высокоточная лазерно-локационная съемка в сочетании с цифровой аэрофотосъемкой. Последний вид съемки в дальнейшем будем именовать «воздушное лазерное сканирование», или ВЛС, что будет подразумевать использование тандема «лазер+фото», поскольку лазерная съемка без аэрофотосъемки применяется редко.

Постепенное распространение данного метода в мире и прогресс в области создания цифровых камер и лазерных сканеров привели к эволюции точности и подробности получаемых по этим материалам данных – от 1:5000 в конце 1990-х до 1:500 к началу 2015 г.

Лазерное сканирование является разновидностью активной съемки. Установленный на авианосителе (самолете, вертолете) полупроводниковый лазер (работающий в импульсном режиме) проводит дискретное сканирование поверхности Земли и объектов, расположенных на ней, регистрируя направление лазерного луча и время прохождения луча (см. Рис.1).

Таким образом, удается однозначно локализовать в пространстве точку (точки, если отражений было много), от которой отразился лазерный луч. Текущее положение лазерного сканера определяется с помощью высокоточного спутникового приемника, работающего в дифференциальном режиме совместно с инерциальной системой. Зная углы разворота и относительные смещения между компонентами описанной системы, можно однозначно определить абсолютные координаты каждой точки лазерного отражения в пространстве.

Поскольку лазерный сканер испускает сотни тысяч импульсов в секунду («качая» луч из стороны в сторону и смещаясь вместе с носителем (скажем, вертолетом)), то территория съемки оказывается покрыта множеством точек лазерных отражений, для каждого из которых известны координаты, интенсивность, а также порядок отражения (было ли это первое отражение – от самого высокого объекта в данной точке, или последнее – от земли или здания). Данные, получаемые в результате совместной обработки лазерной альтиметрии, данных инерциальной системы и приемников GPS-ГЛОНАСС, представляют собой массив нерегулярно расположенных точек, для которых известны пространственные координаты, интенсивность отраженного сигнала и ряд дополнительных параметров.

Одновременно с лазерным сканированием ведется аэрофотографирование поверхности земли с использованием цифровой камеры, регистрирующей излучение в видимом, инфракрасном, либо тепловом или ИК диапазоне электромагнитного излучения. Аэрофотоснимки регистрируются на бортовом носителе. Наличие точных меток времени позволяет определить элементы внешнего ориентирования камеры и осуществить привязку снимка и коррекцию ошибок за рельеф, за наклоны, кривизну Земли, и т.п. Исправленные ортоизображения сливаются в единую бесшовную мозаику. В результате же автоматизированной обработки точек отражений производится высокоточная цифровая модель рельефа (ЦМР) территории.

Что видно на этих данных? Производительность систем ВЛС не уступает обычной съемке в видимом или ИК-диапазонах . При этом пользователь в любом случае получает многозональные фотоматериалы наравне с данными лазерного сканирования, а по цене – существенно не превосходит ее. Однако ценность этих данных существенно выше, чем у классической аэрофотосъемки или космической съемки.

Кроме воздушного лазерного сканирования, ни один из применяющихся на сегодняшний день методов в дистанционном зондировании земли не обладает одновременной возможностью получать и видимую поверхность крон (рис.2), и поверхность рельефа. Действительно, оптико-электронное наблюдение дает нам информацию о видимой поверхности (кроны), оставляя рельеф невидимым. Радарная съемка – либо рельеф, либо видимую поверхность (в зависимости от длины волны). Только воздушное лазерное сканирование сочетает в себе лучшие черты каждого из методов, обладая при этом суб-дециметровыми точностями измерения высоты. Именно благодаря этому свойству, воздушное лазерное сканирование – один из немногих методов, позволяющих получить точные геометрически параметры объектов, используя прямые измерения.

На данных лазерного сканирования видны в 3Д висячие объекты – такие как провода, висячие конструкции и тонкие конструктивные элементы (столбы, балки, проч.).

Наличие информации о рельефе и наземных объектах непосредственно в 3Д позволяет автоматически получать относительные высоты деревьев и зданий, определять расстояния от проводов до объектов, строить профили с учетом надземных объектов – все это делается без полевых работ, только по данным воздушного лазерного сканирования.

В зависимости от плотности лазерного сканирования определяются соответствия масштабу съемки. Обычно для съемки под 1:5000 применяется плотность около 1 точки на 1 м2, 1:2000 – 2 точки на 1 м2, под 1:1000 – 4-6 точек на 1 м2, а под 1:500 – 10-20 точек на 1 м2. Аэрофотосъемка при этом ведется под разрешение 30, 20, 12 и 6 см соответственно.

При обработке данных ВЛС форма и геометрия объектов получается с данных лазерного сканирования, а атрибутивные характеристики и контура объектов, не выражающихся в рельефе (например, разметка дороги) наносятся по результатам сопровождающей ВЛС аэрофотосъемки.

На материалах с плотностью 4 т/м2 (под 1:1000) легко отличимы в 3Д-режиме (то есть просто по форме, без спектральных признаков) здания, поверхность грунта, кроны лиственных и хвойных деревьев с учетом наиболее высоких точек дерева (рис.2).

Подводя итоги описанию методов воздушного лазерного сканирования, еще раз отметим ключевые особенности технологии:

• пригодность для картографирования в масштабах 1:500-1:5000;
• проницаемость для съемки растительности;
• возможность съемки висячих конструкций;
• ведение параллельно не только лазерного сканирования, но и высокодетальной аэрофотосъемки специализированными среднеформатными камерами с аппаратным определением элементов внешнего ориентирования, достаточными для геопривязки данных с точностями на уровне 1:500-1:5000;
• средний или значительный вес съемочной системы – от 8 до 120 кг, что как правило подразумевает необходимость использования пилотируемого носителя.

3. Коротко о съемке с БПЛА

Говоря о рынке съемок с использованием БПЛА, уточним сразу, что мы ведем речь исключительно о рынке РФ, с присущими ему рыночными, административными, логистическими и климатическими особенностями.
В силу ряда причин, в РФ (как, впрочем, и в большинстве прочих стран) использование тяжелых (взлетная масса более 30 кг) БПЛА в коммерческих целях затруднено – по соображениям безопасности, стоимости и организационным причинам. Подавляющая масса БПЛА относится к легкому и/или среднему классу с полезной нагрузкой до 3-4 кг и весьма незначительным радиусом полета; рыночные особенности ограничивают стоимость съемочного комплекта БПЛА цифрой до 5000 000 рублей. Эти особенности определяют:

• дальность – незначительная, ввиду низкой энерговооруженности и необходимости осуществлять посадку либо вертикально, либо «вскользь», либо на парашюте;
• полезную нагрузку — в подавляющем большинстве случаев это пассивные RGB-камеры (в худшем случае – видеокамеры, в лучшем – полупрофессиональные фотоаппараты с матрицей до 24х35 и разрешением до 50 мегапикселов). Высокоточные инерциальные системы и лазерные сканеры не ставятся на подобные носители в силу высокой стоимости, значительной массы и ограниченных энерго-массовых возможностей БПЛА. Исключения из данного правила единичны и носят некоммерческий, экспериментальный характер.
• уровень безопасности полетов – как правило, стоимость и масса БПЛА не позволяет поставить высоконадежные системы, обеспечивающие гарантированную связь с аппаратом, автопилотирование в неблагоприятных климатических и радиочастотных условиях, диспетчеризировать полет, а также выполнить гарантированно и безопасно взлет и посадку в течение всего жизненного цикла функционирования сенсоров (для лазерных сканеров – около 2000 часов работы и 8-10 лет непрерывной эксплуатации). Это ведет к тому, что пользователи банально опасаются ставить дорогие сенсоры (тяжелые камеры, лазерные сканеры, гиперспектральные сенсоры и т.п. на БПЛА бюджетного класса, или БПЛА как таковые, отдавая предпочтение пилотируемым носителям).

Таким образом, на 2017 г., говоря о рынке съемок с БПЛА, мы можем говорить фактически о следующих технологических особенностях данной технологии:

• возможность съемок для создания ортофотопланов с детальностью 1:500-1:5000;
• использование исключительно пассивных сенсоров, работающих в видимом и (редко) в ближнем ИК диапазоне;
• незначительная дальность полета и производительность съемки;
• невозможность установки точных ГНСС-ИНС систем на аппараты бюджетного класса (как следствие – практически полное отсутствие подобных систем на БПЛА в РФ);
• низкая стоимость подобной системы при покупке;

4. Об исключениях из правил

Конечно, нам известно и о существовании исключений из указанных правил:

• легкие воздушные лазерные сканеры: например, Riegl VUX SYS или Riegl MiniVUX – данные системы имеют возможность работы с высот до 600 метров, обладают производительностью близкой к топовым системам 5-летней давности и массой 8 и 6 кг соответственно. Однако данная масса и стоимость систем (сотни тысяч евро) пока не позволила поставить ни один данный прибор на БПЛА.
• гиперспектральные и многозональные пассивные сенсоры для БПЛА – обладают средней стоимостью (до нескольких десятков тысяч рублей) и массой (менее 1 кг), однако обладают низкой детальностью, охватом, и – как следствие – производительностью. Обычно используются в экспериментальных или научных целях ограниченным кругом пользователей в РФ.Поскольку общее количество вышеперечисленных систем на рынке РФ очень мало, и их услуги не имеют широкого коммерческого применения, мы исключим их из данного сравнения.

5. О том, что нужно при проектировании.

Практика картографического обеспечения проектно-изыскательских работ в РФ имеет ряд особенностей, нехарактерных, скажем, для кадастровых, экологических, тематических задач. Отметим среди них:

• жесткие требования к точности съемки и отображения рельефа. Помимо высоких точностей (до 8 см по высоте для топопланов 1:500 с сечением 0.25 м) по высоте, в структуре ЦМР необходимо отображать линии перегибов склона (бровки, подошвы откосов), тальвеги, характерные точки рельефа (особенно на резких перегибах);
• для работ в населенных пунктах под масштабы 1:1000 и 1:500 необходимо отображать значительное количество тонких (столбы, столбики) или висячих конструкций и их параметров (провода, расстояния от них до земли);
• необходимость картографирования с одинаковой полнотой как открытых, так и покрытых растительностью или затененных конструкциями участков местности.

6. Постановка задачи

Принимая во внимание вышесказанное, ООО «Компания СОВЗОНД» решила выполнить оценку разницы в качестве итоговых данных, которые могут быть получены при работе с использованием как методов лазерного сканирования + АФС с использованием пилотируемого носителя, так и сенсоров, снимающих с БПЛА.
Поскольку необходимых для данной работы в нужном ассортименте БПЛА не имелось, на ряд объектов были выполнены дублирующие полеты – один раз съемка велась с использованием ВЛС+АФС, другой раз – просто фотокамерой (с фиксацией центров с использованием ГНСС геодезического класса).

Лазерная сканирующая система, использованная с данном проекте, является в целом довольно старой. Это Riegl Q560, обеспечивающий скорость работы до 240 000 точек в секунду, возможность работы на высотах до 1500 м, оборудованный инерциальной системой AeroCONTROL c точность угловых измерений до 0.005 углового градуса, 2-частотным GPS-ГЛОНАСС модулем и специализированной цифровой среднеформатной аэрофотокамерой IGI, 39 мегапикселов, фокусное расстояние 50 мм.

В качестве сенсоров-эмуляторов БПЛА съемки использовались:

• IGI 39 мегапикселов; 37х49 мм размер матрицы; съемки с высоты 300 м, 250 м, с измерением координат центров; разрешение 4 см.
• NIKON D800; 36 мегапикселов, 24х35 мм размер матрицы; съемки с высоты 300 м, 250 м. , с измерением координат центров; разрешение 5-6 см, широкоугольный объектив.
• SONY RX1R; 24 мегапиксела, 24х35 мм размер матрицы; съемки с высоты 300 м, с измерением координат центров; разрешение 7-8 см, широкоугольный объектив.
• встроенная камера DJI Phantom 4; съемки с высоты 50-70 м, без измерения координат центров; разрешение 3-4 см, широкоугольный объектив.

Ожидаемая точность высотной модели, исходя из соотношения «высота-базис» и разрешения снимков, составила около 12 см для среднеформатной камеры, около 12-15 см для Nikon и Sony, около 10 см – для DJI. Среднеквадратическая погрешность при уравнивании и измерения на контрольных точках в целом подтверждают подобную точность. Все вышеперечисленные значения укладываются в требования, предъявляемые топопланам 1:500 с сечением рельефа 0.5 м.

Съемки лазерным сканером велись с высоты 450 м, что обеспечивает возможность работы с точностью, удовлетворяющей требования масштаба 1:500 согласно требованиям СНиП 11-02-96. Оценка точности по контрольным точкам дает нам ожидаемую высотную точность данных на уровне 8-10 см. Данные также удовлетворяют требованиям 1:500.

Все материалы фотограмметрической обработки проходили оценку по точности уравнивания с использованием данных о центрах координат, контрольных точек (от 12 до 28 шт на объект).

Данные лазерного сканирования проверялись похожим образом (оценка точности расчета траектории, взаимное различие залетов в точках лазерных отражений, соответствие контрольных точек данным лазерного сканирования). Аппаратура воздушного лазерного сканирования прошла поверку на полигоне ВНИИФТРИ в 2016 г., ее точностные характеристики подтверждены соответствующим сертификатом (высотная точность измерений – лучше 5 см, плановая – лучше 8 см).

В рамках данных сравнительных съемок, по результатам сравнения с контрольными точками на каждом из объектов

Контрольные точки маркировались знаком «крест», центр креста определялся методом статических измерений от базовых станций, оценочная точность позиционирования центра – лучше 3 см. Во всех случаях система координат и высот – WGS84, эллипсоидальная. Координаты базовых станций определялись методом РРР в статике 8 часов; при вычислении центров координат фото и траекторного решения для лазера использовались одни и те же координаты станций.

Для сравнения этих разнородных по своей сути материалов съемки было принято решение использовать в первую очередь облака трехмерных точек. Действительно, при фотограмметрической обработке в автоматизированном режиме (с использованием корреляционных методов) в первую очередь практически любое программное обеспечение получает облако точек (координаты которых определены стереофотограмметрическим методом), и только потом данное облако уже фильтруется, используется для создания ЦМР (которая в свою очередь используется для создания ортофото и т.д.). При выполнении лазерного сканирования пользователь в первую очередь получает аналогичное облако точек (и аналогично его использует), с той только разницей, что данное облако получается не стереофотограмметрическим методом, а методом прямого измерения дальности и элементов внешнего ориентирования сенсора.

При этом для обоих методов характерно, что при наличии локальных или систематических ошибок в облаке точек методы решения данных проблем (и масштаб проблем) в целом идентичны. Поэтому мы считаем допустимым при сравнении использовать различия в форме облаков точек, полученных разными методами.

7. Используемое программное обеспечение

Для обработки данных воздушного лазерного сканирования были использованы как комплект программного обеспечения, прилагающийся для низкоуровневой обработки данных сканеров Riegl (Riprocess, Grafnav, Aerooffice), так и комплект TerraSolid (под Microstation) для дальнейшей обработки и анализа точек лазерных отражений. Качество измерения координат и степень полноты данных определяются в целом не программным обеспечением, а аппаратными характеристиками воздушного лазерного сканера и блока ИНС-ГНСС навигации.

В отличие от лазерного сканирования, при фотограмметрической обработке снимков программное обеспечение может достаточно сильно влиять на качество и полноту распознаваемых коррелятором данных и точность их геопозиционирования.

Ранее сотрудниками СОВЗОНДА уже выполнялись исследования в области наиболее пригодного для целей фотограмметрической обработки программного обеспечения. В поле зрения компании попали такие программные продукты как UASMaster, Agisoft Photoscan, OpticalScape и ряд других.

В основной массе подрядчиков, представленных в РФ и использующих съемки с БПЛА, наиболее распространенным ПО для обработки является AgiSoft PhotoScan. Данное ПО достаточно недорого, дает внешне неплохой результат в части формирования облаков точек и ЦМР и имеет вполне дружественный интерфейс. В то же время используемые подходы для решения классических фотограмметрических задач в данном ПО отличаются от принятых в таких продуктах как Photomod или Inpho. Однако, в основном по причине цены и сложности освоения, рядовой пользователь БПЛА практически никогда не может позволить себе купить столь дорогостоящие продукты, и использует наиболее простой путь – либо использует ПО, идущее в комплекте с БПЛА (если он зарубежный), либо покупает решение от Agisoft. Впрочем, идеологические подходы к фотограмметрическим задачам у UASMaster или OpticalScape схожи с Agisoft и мало напоминают строгие подходы к фотограмметрии, используемые, скажем, в Inpho.

Принимая во внимание вышесказанное, было принято решение при обработке данных, эмулирующих БПЛА съемку, использовать для обработки AgiSoft Photoscan (далее – просто Agisoft).

8. Лазерное сканирование против АФС с БПЛА: среднеформатная камера:

Красным цветом показаны точки, полученные фотограмметрическим методом, белым – данные воздушного лазерного сканирования.

9. Выводы

Результаты, продемонстрированные в данном сравнении, достаточно неожиданны. Действительно, судя по формальным признакам (точность уравнивания, использование широкоугольных объективов, съемки с высоким разрешением, подтверждение высотной точности на контрольных точках) данные облаков точек, полученные с БПЛА АФС не должны уступать данным лазерного сканирования. Но исходя из реальности, они им не просто уступают, а в целом не являются пригодными для задач проектирования, так как в принципе не позволяют адекватно отобразить ни состав объектов на местности, ни их форму, ни габариты. В то же время данные воздушного лазерного сканирования полностью свободны от этих недостатков.

Причин этому несколько.

1. В первую очередь, контрольные точки. Они располагаются на открытой со всех сторон местности, а маркировочный крест является идеальной текстурой для коррелятора. Неудивительно, что здесь все отображается корректно и в соответствии с фотограмметрическими расчетами. В то же время, стоит местности стать мало- или бестекстурой (рис. 13 и 18), и в облаке точек появляются удивительные формы рельефа, которых в природе не наблюдается.
2. Особенности работы коррелятора. Сам принцип корреляции в пределах скользящего окна размером в несколько пикселов (и чем больше – тем лучше) не позволяет отобразить в модели резкие перегибы – бровки, столбы, углы крыш и зданий. Это приводит к характерным «стожкам» — когда у зданий сглаживаются внешние углы и «корытам» — когда на внутреннем угле дороги и забора возникает сглаживание. То же касается коньков крыш и т.п. Поскольку все вышеперечисленные объекты не являются точками локации контрольных измерений, то увидеть этот эффект при уравнивании мы не можем.
3. Существует мнение об упрощенности методики уравнивания, используемой в программном обеспечении, рассчитанном на малоподготовленного обработчика данных БПЛА АФС. Упрощенность методики проявляется в излишней «оптимистичности» оценки качества уравнивания блока и невозможности полноценно проконтролировать качество связки не только на контрольных точках, но и на связующих точках.
4. Принципиальная невозможность увидеть стереоэффект в «колодце» — когда стесненный участок и его стены в принципе не видны с каких-либо двух точек – соответственно, нет и облака трехмерных точек.
5. Принципиальная невозможность увидеть землю в лесу – неважно какой высоты. Отдельные прогалы в лесопокрытой территории не меняют общую картину – плотность данных по БПЛА АФС на залесенной территории в части рельефа практически равна нулю. Тем не менее, программное обеспечение без колебаний строит модель по верхушкам растительности, что впоследствии вызывает необходимость фильтровать данные, не добавляя реальной информативности.

Коснувшись причин описанных расхождений в данных, нельзя не отметить последствия. Приведенные примеры наглядно говорят о том, что применение методов использования БПЛА с камерами практически любого мыслимого типа (от «мыльниц» до профессиональных решений ценой до 100 000 евро) с обработкой в «ПО для любителей» не позволяет создать сколько-нибудь пригодные для проектирования материалы на городские, сельские и незаселенные территории с растительностью.

В случае использования профессионального ПО (Photomod, Inpho, проч.) и ручной рисовки структурных элементов рельефа в стереорежиме, а также дополнения стереомоделей материалами полевых работ в лесопокрытых районах возможно получить достоверную модель местности и создать данные, пригодные для задач проектирования. Однако, поскольку одними из основных причин использования БПЛА с аэрофотокамерами являются их низкая стоимость и сжатые сроки работы, то подобное технологическое решение полностью обнуляет все преимущества БПЛА-съемок как в скорости, так и в цене.

Напротив, данные лазерного сканирования, получаемые в ходе залета, не обладают ни одним из подобных недостатков, высокоавтоматизированы в обработке и полностью пригодны для создания картматериалов под проектные задачи в любых условиях. В большинстве случаев – с учетом дополнительных затрат на обработку данных и устранение вышеописанных «особенностей» данных с БПЛА – стоимость создания топопланов по данным лазерного сканирования практически идентична таковой по данным БПЛА.

Отметим также практически несопоставимую производительность методов – если БПЛА самолетного типа может осуществить в день не более 30-50 км2 съемок под масштаб 1:2000, то при использовании лазерного сканирования за один день возможна съемка до 500 км2 территории.